變頻器在石油工業(yè)上的應(yīng)用
一、艾米克變頻器在石油工業(yè)上的應(yīng)用。 AMK3800變頻器是如何在石油行業(yè)中的應(yīng)用？
石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)行業(yè)，同時也是耗能大戶，其主要生產(chǎn)工藝都是通過各種泵、空氣壓縮機來完成。目前，這些油泵、水泵和空氣壓縮機大都處于電動機驅(qū)動恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，如將占絕對多數(shù)的非調(diào)速型電機改成調(diào)速運行,使其耗電量實現(xiàn)隨負(fù)荷大小而變化,則可節(jié)約大量能源，將產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展使得交流電動機變頻調(diào)速在頻率范圍、動態(tài)響應(yīng)、精度要求和使用效果等方面發(fā)生了巨大的飛躍。據(jù)不完全統(tǒng)計,各大中型石化企業(yè)中,鼠籠式異步電動機占整個電動機總?cè)萘康?0％，因此,它為交流調(diào)速技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。
1.1艾米克變頻器在游梁式抽油機上的應(yīng)用。
游梁式抽油機使用方便、可靠、經(jīng)濟,是目前采油生產(chǎn)中的主要設(shè)備。為了減小抽油機上下沖程負(fù)荷的波動,一般都配有平衡塊。抽油機電機的負(fù)荷是一周期性脈動負(fù)荷,并迭加有瞬間的沖擊。抽油機電機的負(fù)荷曲線上有兩個峰值,分別為抽油機上下沖程的“死點”。抽油機自由停車后再啟動時，總是從死點處啟動,因此抽油機電機要求啟動轉(zhuǎn)矩大。為了保證足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩,抽油機電機正常運行時負(fù)荷率很低,一般在20%左右,負(fù)荷率高的也不過30%。低負(fù)荷率運行造成功率因數(shù)低,效率低,電能浪費大。
因此，在設(shè)計選配抽油機電機時，普遍的做法是令其抽取量大于實際負(fù)荷。它所帶來的新問題是當(dāng)抽油機排量過剩時，抽油機的運行會出現(xiàn)無功抽取，出現(xiàn)空抽或泵空狀態(tài)，伴隨泵空還會產(chǎn)生井噴、氣鎖等事故，而井噴、氣鎖又是導(dǎo)致鉆具組、泵裝置甚至地面設(shè)備損壞的主要原因。另外，由于過度的不間斷運行，機械設(shè)備的損耗也相應(yīng)上升，造成傳統(tǒng)抽油機成本高，噪音大，運行可靠性低。有效控制泵空是亟待研究的課題。抽油機是油田耗能大戶，用電量約占油田總用電量的40％，其總體效率很低，據(jù)調(diào)查一般在30％左右，過剩的抽油能力令抽油機的無功抽取時間增加，造成油井開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴(yán)重。因此，抽油機的節(jié)能潛力非常可觀。
近年來，市場上直接針對抽油機的節(jié)電技術(shù)主要有兩大類:一是開發(fā)不同類型的抽油機節(jié)能電機，如超高轉(zhuǎn)差率電動機、三相永磁同步電機、高啟動轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機和電磁調(diào)速電機等。但由于資金投入太大，在許多油田用節(jié)能電機取代普通異步電機尚無法全面推廣。二是使用節(jié)能配電箱，其中包括定子繞組Y-Δ轉(zhuǎn)換調(diào)壓和電容器動態(tài)無功補償及靜態(tài)無功補償?shù)取２捎酶淖兌ㄗ永@組的接法可以改變電機電壓，但電機只能得到固定電壓，節(jié)電效果并不理想。雖然有些裝置采用雙向晶閘管實現(xiàn)定子電壓隨負(fù)載變化連續(xù)調(diào)節(jié)，節(jié)電效果較好，但是電源電流波形發(fā)生畸變，電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，不宜大面積長期使用。而采用變頻調(diào)速控制，則可以改變抽油機長期處于低效做功的狀態(tài)，使其工作方式與油井實際負(fù)荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費開支，減少維護成本，提高運行效率。
勝利油田孤東采油廠采用了抽油機變頻調(diào)速技術(shù)對稠油井實施改造，油井泵效顯著提高，日均增油2.1t，節(jié)電率達30%以上，且上、下沖程速度可任意調(diào)整，減輕了工人的勞動強度。其經(jīng)濟效益通過對15口井的跟蹤，用加權(quán)平均法計算出單井年效益如下:
(1) 增產(chǎn)及減少電耗費用 增產(chǎn),50.4萬元，節(jié)電0.61萬元，合計,51.01萬元。
(2) 投資設(shè)備及土建安裝費等共計9.43萬元。
(3) 設(shè)備維護及折舊費1.36萬元/年。
(4) 稅金8.56萬元/年。
(5) 利潤41.08萬元/年。
(6) 投資回收時間＝投資/(利潤+稅金)＝70天
1.2 在潛油電泵上的應(yīng)用
潛油電泵采油作為一種大排量、高效率、管理方便的機械采油方式,在油田得到了廣泛的應(yīng)用。然而,對于復(fù)雜斷塊油田來說,油水井的對應(yīng)連通性差,部分潛油電泵井出現(xiàn)供液不足,影響到潛油電泵的正常生產(chǎn)及井下機組運轉(zhuǎn)壽命。以某油田采油廠為例,1997年以來,約有30%的電泵井由于供液不足而經(jīng)常出現(xiàn)欠載停機現(xiàn)象,由于供液不足造成的躺井占總躺井?dāng)?shù)的45%,平均檢泵周期只有66d,平均單井年維護費用增加了13.86萬元。為了延長電泵井的檢泵周期,保證電泵井的正常生產(chǎn),引進了潛油電泵變頻控制技術(shù),通過改變供電電源的頻率,控制潛油電機的轉(zhuǎn)速,對泵的排量進行調(diào)節(jié),使?jié)撚捅玫墓ぷ魈匦院陀途漠a(chǎn)能相匹配、電泵機組在最佳工作區(qū)內(nèi)工作,達到減少機械及電氣故障、延長電泵井壽命、增產(chǎn)及節(jié)能的效果。
在推廣應(yīng)用潛油電泵變頻器以后,使用效果十分顯著，具體如下:
(1) 現(xiàn)場投產(chǎn)一次成功率為100%,措施有效率為100%,
(2) 電泵井平均功率因數(shù)由0.83上升至0.94;
(3) 平均檢泵周期由66d提高到了273d,延長了207d
(4) 共減少電泵井欠載停井185井次,減少停井占產(chǎn)235t,電泵井平均生產(chǎn)時率由67.8%提高到98.1%,共減少作業(yè)躺井42井次,減少作業(yè)占產(chǎn)336t,
(5) 投入產(chǎn)出比達1:4.38
二、變頻器在石油鉆機上的應(yīng)用。鉆井過程分為起落井架,鉆進,泥漿循環(huán),鉆具更換,下套管,測井等幾大工序。主要分為絞車,轉(zhuǎn)盤和泥漿泵等。絞車由滾筒、齒輪箱、離合器、制動器、電機和控制設(shè)備組成,用來起落井架,提升和下放鉆桿、套管。隨著井深的增加,鉆具越來越長,重量迅速加大,絞車的負(fù)載也越來越大。我國目前已有7000m深的油井,其鉆具近600t重。由于每鉆進約9m就要提升下放鉆桿1次,因此絞車作業(yè)時間也隨著井深的增加而占整個作業(yè)時間的比例越來越大。為降低成本,希望在野外或海上的作業(yè)時間越短越好,這不僅要求絞車能高速運行,平穩(wěn)起停,以保證不損壞鉆井設(shè)備并提高井的質(zhì)量,還要求驅(qū)動設(shè)備具有良好的動態(tài)特性。如果在內(nèi)線井區(qū)作業(yè),電源可與井區(qū)電網(wǎng)相連,下放鉆桿時電機工作在發(fā)電狀態(tài),能量可回饋電網(wǎng),節(jié)能效果顯著。
新疆石油管理局鉆井公司為可打3200m深度的一套鉆井設(shè)備配置了艾米克變頻器，所用產(chǎn)品為Siemens SIMOVERT MASTER-DRIVES 6SE71電壓源型變頻器柜，并且取得了較好的效益。在鉆機技術(shù)更新、改造過程中,采用先進的變頻器應(yīng)是優(yōu)先考慮,頗具推廣價值的方案，它將大大推動我國石油機械的技術(shù)進步。
另外，在油氣集輸、油氣加工、含油污水處理、供水、排水、油田注水等系統(tǒng)中艾米克變頻器也有廣泛的應(yīng)用，限于篇幅在此不一一舉例。
三、變頻器在煉油行業(yè)中的應(yīng)用。機泵是煉油廠的心臟，在煉油過程中機泵輸送的物流總量約為原油加工量的40多倍，如加工量2.5Mt/a的煉油廠，每年物流的輸送量高達近億噸，所以耗電量之大是可想而知的。在煉油裝置中,電動機是應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的電氣設(shè)備之一,其大部分負(fù)載為機泵,而定速泵在所耗功率中,被工藝物流吸收作有用功率的僅占30%-40%,其60%-70%的電能消耗于調(diào)節(jié)閥節(jié)流控制壓降和因為處理量、收率變化及設(shè)計裕量大所造成的“大馬拉小車”而導(dǎo)致的泵出口閥壓降上。機泵節(jié)能的根本問題在于如何使控制方案與實際負(fù)荷相匹配,使之在控制過程中降低阻力,提高系統(tǒng)效率。這就為變頻調(diào)速技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用空間。實踐證明,變頻調(diào)速裝置是企業(yè)技術(shù)改造、節(jié)能降耗的理想設(shè)備。毫無疑問,這種調(diào)速方式將成為石化企業(yè)中驅(qū)動系統(tǒng)的中樞。
在泵類負(fù)載中的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速,相應(yīng)地改變機泵的轉(zhuǎn)速和工況,使其流量與揚程適應(yīng)管網(wǎng)介質(zhì)流量的變化。
如圖1所示,n為泵特性曲線,A為管路特性曲線,H0為管網(wǎng)未端的服務(wù)壓力,H為泵出口壓力。當(dāng)用水量達到最大(Qmax)時,水泵全速運轉(zhuǎn),出口閥門全開,達到了滿負(fù)荷運行,泵的特性曲線n0和管網(wǎng)特性曲線A0匯交于b點,則其工況點為b,此時,泵的出口壓力為H,未端服務(wù)壓力剛好為H0。當(dāng)流量從Qmax減少到Q1的過程中,泵全速運轉(zhuǎn),靠泵出口閥門關(guān)小控制:此時,管網(wǎng)阻力特性曲線變陡(A2),泵的工況點由b上滑到c點,而管網(wǎng)所需的揚程將由b點下滑到d點,這樣,c點和d點揚程的差值即為全速泵的能量浪費。泵變速運轉(zhuǎn),靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制:此時,當(dāng)流量為Qmax下降到Q1時,泵降低轉(zhuǎn)數(shù),泵特性曲線變?yōu)閚1,其工況點為d,正好落在管路特性曲線A0上,這樣可使泵工作點始終沿A0滑動。管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0恒定不變,其揚程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng),沒有能量的浪費,從而達到了調(diào)速節(jié)能的目的。
大慶石化總廠已對裝置內(nèi)負(fù)載波動大,調(diào)節(jié)閥節(jié)流嚴(yán)重的機泵安裝了65臺變頻器,總?cè)萘繛?600kw,其中大部分是閉環(huán)控制系統(tǒng),即現(xiàn)場一次表經(jīng)變送器將信號通過屏蔽電纜送到PID調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)后通地屏蔽電纜將4-20ｍA直流信號送到變頻器的設(shè)定口,控制變頻器的輸出;余下部分是開環(huán)控制系統(tǒng),即根據(jù)控制目標(biāo)通過電位器給定來控制變頻器輸出,以使電動機工作在符合工藝要求的轉(zhuǎn)速上,完全靠變頻器輸出控制電動機轉(zhuǎn)速來控制流量,使機泵的出口閥達到全開狀態(tài),揚程與管網(wǎng)阻力特性曲線相吻合,泵出口揚程大幅度下降,電動機輸出有功功率也明顯降低,獲得最佳的節(jié)能效果。變頻器的使用,使節(jié)電率達到50～70%,年節(jié)電810萬kwh;另外,變頻器的使用,不但實現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動化,而且延長了設(shè)備了使用壽命,保證了裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行,取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
在石油氣壓縮機上的應(yīng)用，某煉油企業(yè)有2臺石油氣壓縮機,單機額定功率75kW，一開一備運行方式，而在實際生產(chǎn)中，只需大約45kW的輸出功率。壓縮機在低于額定工況下運轉(zhuǎn)，負(fù)載率較低，而且其風(fēng)壓與流量大小要靠手動閥來調(diào)節(jié)，操作困難，也浪費大量電能。為此，采用變頻調(diào)速技術(shù)進行改造，用PLC實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和各種控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
設(shè)定壓縮機管網(wǎng)正常出口壓力為P1,而現(xiàn)場實際測定壓力為P2,根據(jù)ΔP(=P2-P1)值的大小,由PLC內(nèi)的PID功能模塊進行PID運算,控制變頻器來改變電機轉(zhuǎn)速,達到所要求的壓力。當(dāng)ΔP>0時,即現(xiàn)場壓力偏高,則提高變頻器的輸出頻率,使電機轉(zhuǎn)速加快,提高實際風(fēng)壓;當(dāng)ΔP<0時,即現(xiàn)場壓力偏低,則使轉(zhuǎn)速降低,ΔP減小。這樣不斷調(diào)整,使ΔP趨于0,現(xiàn)場實際壓力在設(shè)定的壓力附近波動,保證壓力穩(wěn)定。
